自行車作為一種既便利又環保的出行工具，備受大家歡迎，過去的北京還一度被稱為“自行車的王國”。

如今，随着共享單車的出現，這種便捷的出行方式再次受到了大家的歡迎。

騎過自行車的人都知道，騎起來的自行車不容易倒，而一旦停下，稍微一個風吹草動，自行車就會傾倒。那麼這其中有什麼科學道理呢？

其實，在自行車被發明後的三百年間，一直有人試圖解釋這個問題，也提出了許多假說，但至今都沒有一個百分之百完善的理論。可以說，自行車的穩定性問題，至今還是一個“未解之謎”。

下面，小編就來為大家盤點兩個相對合理的假說，雖然都不全面，但是在一些特殊情形和特定種類的自行車上是成立的。

在說自行車之前，我們先來看另一種動起來比停下來更穩定的東西——陀螺。

陀螺在靜止時，無論你如何小心翼翼地擺放，都無法讓它“單腳着地”。

而一旦陀螺轉動起來，它就能穩穩地立在桌上，甚至劇烈地碰撞、撥弄都無法讓它倒下。

那麼為什麼轉動中的陀螺會如此穩定呢？這可以用進動和角動量的概念來解釋。

當我們把靜止的陀螺立在桌面時，由于無法保證陀螺百分之百豎直，總會有一點點傾斜，在重力的作用下，陀螺最終會倒下。

此時，重力無法與支撐陀螺的支持力抵消，總體上有讓陀螺傾倒的效果。

即便一開始保證了陀螺的豎直，但是外界一點點的擾動都會讓它再次傾斜，進而倒下。

而一旦陀螺開始旋轉，它就具備了一個角動量。

角動量是物體自身的一種運動狀态，因旋轉而産生，與轉速、轉向、物體自身質量的分布都有關系。如果沒有外界的幹擾，物體的角動量将保持不變。

一旦具備了角動量，陀螺的受力情況雖然和之前一模一樣，但是重力對陀螺的效果則不再是使其倒下，而是讓它的旋轉軸開始擺動，我們把這種擺動稱為進動。

相比于直接倒下，進動對陀螺的影響很小，陀螺基本上可以依舊“站在”水平面上。

角動量的存在使得重力的效果發生變化，進而使得陀螺具備了穩定性，而且陀螺的轉速越快，自重越重，就越穩定。

陀螺的自轉與重力作用引發進動

陀螺進動

可能有小夥伴會問，同樣是重力，其作用效果為什麼會發生如此大的變化呢？

這是因為一個物體将要如何運動不僅與此時此刻它的受力情況有關，還與它的初始狀态有關。

之前陀螺是靜止的，因此在重力作用下它很難支撐住，就會傾倒；而現在陀螺在不停地旋轉，具備角動量，初始狀态與之前完全不同，因此重力對它的作用效果自然也不同。

在受力情況一樣的條件下，初始狀态不同會使未來演化情況不同的現象被數學家稱為微分方程的初值問題，十八世紀的數學家、物理學家、天文學家拉普拉斯就對初值問題頗有研究。

以上是普通的陀螺具有穩定性的原理，如果你覺得這還不夠神奇，下面，我們來看一種更加誇張的陀螺——車輪進動儀。

車輪進動儀器

看到上面動圖的小夥伴是不是感到很驚奇呢？

按照通常的經驗，當我們把車輪的一端挂在支架上，由于兩邊重量不相等，無法平衡，在重力的作用下會自然地垂下。然而，這個車輪竟然能夠穩定地懸在支架上，這是為什麼呢？

其實，車輪就好比一個“橫着”自轉的陀螺，一旦車輪開始自轉，就會具備一個角動量，在重力作用下，隻會使車輪發生進動，而不會使車輪傾倒。

當車輪漸漸停止轉動後，角動量消失，進動現象消失，重力的效果會再次發生改變，使車輪向下傾倒。

橫着挂起的陀螺不自轉時的情形

陀螺橫着自轉時的情形

講到這裡，想必聰明的小夥伴已經悟到了什麼，自行車的兩個輪子不就是兩個橫着放的陀螺嗎！

當自行車靜止時，車輪不自轉，不具備角動量，當車身稍有傾斜時，就會在重力作用下傾倒。

然而，一旦車輪轉起來，自行車上就天然攜帶了兩個陀螺穩定器，即便車輛歪斜，重力也不會将它拉倒在地，而是使車輪有旋轉的趨勢，讓自行車轉彎。

前面的陀螺假說似乎已經非常完美了，然而就是有人不信邪，發明了一種可以抵消車輪角動量的裝置。

抵消角動量的方法很簡單，隻需要在車輪邊上放一個與它角動量始終相同但旋轉方向相反的物體即可。

抵消車輪角動量裝置

人們發現，即便車輪的角動量被抵消，沒有進動現場産生，行駛的自行車依然不會倒下。

這個裝置的出現讓一大批科學家和科學愛好者犯了難，難道還有其他的機制使得運動起來的自行車具有穩定性嗎？

這時，自行車騎行時的一些“小細節”引起了人們的注意。自行車在騎行過程其實一直處于不斷調整，不斷轉彎的過程中。

即便在直線行駛時，自行車也會不由自主地轉彎。

運動的車傾斜後會通過轉彎保持穩定

這是由于一旦直行的自行車受到外界擾動，開始傾斜，就會開始轉彎。

此時，以自行車自身為參考，它受到了自身重力、斜向上的支持力以及因為轉彎而産生的慣性離心力。

當這三個力達到微妙的平衡時，傾斜的自行車就不會倒下，而是平順地完成轉彎動作。

轉彎時自行車的受力分析

而靜止的自行車由于沒有在轉彎，就不存在慣性離心力，因此沒有第三個力來與并不處于同一直線上的重力和支持力相互平衡。

一旦自行車受力不平衡，自行車就會迅速倒下。

以上兩種假說，隻是行駛中自行車能自發保持穩定的衆多解釋中兩個比較好理解。

此外，還有“前輪尾迹” “組件質量分布說”等等，不過這些理論與假說依然無法完全地解釋自行車的穩定性，其中勢必隐藏着我們還沒有理解的力學機制有待後人繼續發現。

想不到我們司空見慣的自行車中竟然也藏着如此複雜的力學原理，而且自行車的穩定性竟然還是一個未解之謎！

也許，不久之後你就是那個發現自行車背後真理的人呢！

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